有机反应机理第一章(二)

1 3重要极性反应及机理回顾 1 3 1影响极性反应的主要因素 1 3 2饱和碳原子上的亲核取代反应 1 3 1影响极性反应的主要因素 极性反应实际上是亲核试剂与亲电试剂的反应 大多数极性反应需在酸性或碱性条件下进行 因此 反应物或试剂的亲核亲电性和反应体系的酸碱性对反应有决定性的影响 1 亲核试剂 nucleophile 亲核试剂具有能量较高的电子对 能用于形成新键 亲核原子可以是电中性的 也可带负电荷 亲核试剂有三种类型 lone pairnucleophiles bondnucleophiles and bondnucleophiles 含未共用电子对的亲核试剂 Lone pairnucleophiles Lone pairnucleophilescontainatomswithlonepairs Thelonepairisusedtomakeanewbondtoanelectrophilicatom 含未共用电子对的亲核试剂还有哪些 Alcohols ROH alkoxides RO amines R3N metalamides R2N halides X thiols RSH sulfides R2S andphosphines R3P areallexamplesoflone pairnucleophiles 亲核反应示例 Curvedarrowsareusedtoshowtheflowofelectrondensityfromthenucleophiletotheelectrophile 键亲核试剂 Sigma bondnucleophiles 键亲核试剂包含一个非金属原子与金属原子之间的化学键E M 亲核原子可能为杂原子 asinNaNH2orKOH 碳原子 asinGrignardreagents RMgBr organolithiumreagents RLi andGilmanreagents R2CuLi 或氢原子 asinthecomplexmetalhydridesNaBH4andLiAlH4 强极性的金属 非金属键E M常被认为是离子键E M 因此 PhC C Li H3C MgBr 和LiAlH4有时也写成PhC C H3C 和H 按这样的写法 键亲核试剂也是含未共用电子对的亲核试剂 键亲核试剂 Pi bondnucleophiles 键亲核试剂利用 键的电子对与亲电试剂的亲电原子形成 键 例如 亲核烯烃与亲电试剂反应时 总是电子云密度高的双键碳与亲电试剂形成新键 直接与含未共用电子对的杂原子相连的烯烃 enolates enamines enols enolethers 碳亲核性强 碳 attachedtoheteroatom 亲核性弱 对于纯烷基取代的烯烃 取代较少的碳亲核性强 优先与亲电试剂结合 亲核试剂的亲核性与碱性 亲核试剂的亲核性是根据其在25 的水溶液中与CH3Br反应的速率来测定的 试剂的碱性是其与H 反应的能力 用平衡常数的负对数表示 因此 试剂的亲核性与碱性有联系 也有区别 许多亲核反应在碱性条件下进行 了解亲核性与碱性的关系很重要 亲核性 therateofreactionwithCH3Br 是动力学性质 而酸碱性 theequilbriumconstantbetweenprotonatedandunprotonatedspecies 是热力学性质 由于这些区别 有些强碱可能是弱亲核试剂 Nucleophilicityincreasesasyougodowntheperiodictable whereasbasicitydecreases Nucleophilicity Et2S Et2O 较重原子具有较强的亲核性是因为原子半径较大 导致电负性较低 空间可接近性较好 亲核原子在周期表中的位置与亲核性的关系 Nucleophilicity I Cl 测定亲核性通常在MeOH等质子溶剂中进行 较小的负离子会形成较强的氢键也是导致其亲核性小的原因 实际上 在非质子溶剂中或气相条件下Cl 的亲核性和碱性均略高于I 亲核原子周围立体位阻增加 亲核性显著降低 碱性则略有增加 例如 EtO 是强碱 pKb17 和强亲核试剂 而t BuO 的亲核性则非常小 但碱性却更强 pKb19 立体位阻对亲核性的影响 电荷离域使碱性显著降低 对亲核性影响则较小 电荷离域 共振 对亲核性的影响 例如 EtO pKb 17 在较低温度下与s BuBr反应生成消除产物2 丁烯 而AcO pKb 4 7 在较高的温度下与s BuBr发生SN2反应生成s BuOAc 极性非质子溶剂增加试剂的亲核性 非亲核碱的重要性 在亲核反应中作为碱催化剂使用 本身不与亲电试剂反应 介质酸度对试剂亲核性的影响 强碱性亲核试剂 RO RC C RS R2N 只能在碱性条件下存在 弱碱性亲核试剂 halides R2S R3P RCO2 RSO3 在酸性或碱性条件下均可存在 水和醇可在碱性也可在酸性条件下存在 碱性条件下与亲电试剂反应前先脱质子 酸性条件下则不可能先脱质子 酸性条件下胺 R3N 以铵盐形式存在 无未共用电子 不能作亲核试剂起反应 大多数 键亲核试剂 PhMgBr CH3Li LiAlH4 NaBH4 有相当强的碱性 只能在碱性条件下使用 只有少数 键亲核试剂可用在酸性条件下 包括Lewis酸型亲核试剂AlMe3 ZnEt2 i Bu2AlH 以及非Lewis酸型亲核试剂NaBH OAc 3 NaBH3CN 大多数 键亲核试剂 enols enolethers enamines aswellassimplealkyl substitutedalkenesandarenes 可在酸性条件 也可在碱性条件下存在 但烯醇盐 enolates 只能在碱性条件下存在 键亲核试剂中 只有烯醇盐和烯胺 enolatesandenamines 有足够的活性在碱性条件下与亲电试剂反应 烯醇盐和烯胺的共振结构 2 亲电试剂 electrophile 亲电试剂具有能量较低的空轨道 能用于形成新键 亲电试剂可以是电中性的 也可带正电荷 亲电试剂也有三种类型 Lewisacidelectrophiles bondelectrophiles and bondelectrophiles Lewis酸亲电试剂 Lewisacidelectrophiles Lewis酸亲电试剂的亲电原子 E 不具备八电子结构 有一个低能量的非键轨道 通常为p轨道 Lewis酸亲电试剂与亲核试剂反应时 利用亲核试剂的未共用电子对形成新键 使原子E达到八电子结构 周期表中 硼是最不安分的元素 硼氢化 氧化机理 反应类型 键亲电试剂 bondelectrophiles 键亲电试剂的亲电原子E具备八电子结构 但通过 键与一可接受一对电子的原子或基团连接 当亲核试剂进攻 键亲电试剂时 键断裂 电子转移至相邻原子上 键亲电试剂通常具有C O C N 或C N键 其中电负性小的原子为亲电原子 与吸电基相连的C C和C C键也是 亲电试剂 键亲电试剂 Sigma bondelectrophiles 键亲电试剂可表示成E X 亲电原子E具备八电子结构 通过 键与离去基团X leavinggroupornucleofuge 相连 Nucleofuge 离核试剂 亲核试剂提供一对电子与亲电原子E成键 X带着电子离去 键亲电试剂可进一步分成三类 thosewhereEisC thosewhereEisaheteroatom andBronstedacids inwhichEisH 3 离去基团 离去基团的离去倾向与pKb密切相关 离去基团的碱性越小 越容易离去 亲核取代反应中 只有当离去基团具有较高的离去倾向时反应才能按SN2机理进行 Approximateorderofleavinggroupability ThepKbofabaseisdefinedasthepKaofitsconjugateacid 单独pKb值有时不能正确反映离去基团的离去能力 亲电试剂的结构 金属离子的存在以及反应介质都会对离去基团的离去倾向起重要作用 例如 尽管 NR2的pKb为35 C CR的pKb为25 酰胺 RCONR2 可以被水解 炔基酮 RCOC CR 却不能被水解 为什么 这是因为酰胺水解时 N原子可能先被质子化 反应中真正的离去基团不是 NR2 而是HNR2 pKb 10 例如 尽管烷氧基不是一个好的离去基团 环氧乙烷衍生物与亲核试剂Nu 生成NuCH2CHRO 的反应很容易进行 张力的缓解也可以增加基团的离去倾向 4 介质酸碱性对反应机理的影响 离子型反应通常在酸性或碱性条件下进行 介质酸碱性不同 反应机理差别很大 如果反应在酸性条件下进行 体系中就不可能存在强碱 体系中存在的任何负离子都应当是弱碱 e g Cl 如果反应在碱性条件下进行 体系中就不可能存在强酸 体系中存在的任何正离子都应当是弱酸 例如 转酯反应 transesterification 可在碱性条件也可在酸性条件下进行 碱性条件下 体系中只能存在弱酸 机理中不可能出现R2O H之类的强酸性中间体 酸性条件下 体系中只能存在弱碱 机理中不可能出现RO 之类的强碱性中间体 任何条件下 乙醇直接进攻羰基碳都是不合理的 因为这样的直接进攻将同时产生强碱性的RO 和强酸的R2O H 二者是不可能同时存在的 就像NaOH和H2SO4不能同时存在一样 离子型反应的第1步通常是质子化或脱质子 如果反应在碱性条件下进行 第1步往往是脱底物中的酸性氢 如果反应在酸性条件下进行 第1步往往是底物分子中的碱性位置被质子化 The pKarule 弱碱可以脱去弱酸分子中的氢生成较强的碱 尽管热力学上可能不利 但反应往往是快速可逆的 只要酸的pKa值减去碱的pKb值不大于8 例如 丙酮的pKa 20 与 OHpKb 15 相差5 因此用 OH作碱脱丙酮的质子是可行的 而己炔BuC CH的pKa 25 与 OH的pKb 15 相差10 用 OH作碱难以脱己炔的质子 ApproximatepKavaluesforsomeorganicacids 1 3 2饱和碳原子上的亲核取代反应 反应通式 式中 R为烃基 X 为离去基团 如卤素 OTs等 Nu 为亲核试剂 如胺 烷氧负离子等 反应机理 不同机理的主要区别在于离去基团的离去和亲核试剂进攻的先后顺序不同 视反应介质酸碱性 作用物结构 离去基团和亲核试剂的种类不同而不同 机理的两种极端形式 SN2机理和SN1机理 SN2机理 双分子亲核取代反应 SN1机理 单分子亲核取代反应 正碳离子不可能在碱性条件下存在 因此只有酸性条件下反应才有可能按SN1机理进行 离子对机理 介质酸碱性的影响 碱性条件下伯 仲卤代烃的亲核取代反应通常按SN2机理进行 SN2反应的条件和特征 酸性条件下反应通常按SN1机理进行 但在以下几种情况下 酸性条件下的亲核取代反应也可按SN2机理进行 底物的亲核中心为伯碳原子 CH3 X 亲核试剂亲核性强 反应在强酸介质中进行 伯醇与氢卤酸生成伯卤烷的反应就是在强酸介质中进行的SN2亲核取代反应 亲核试剂亲核性的影响 强亲核试剂有利于SN2反应 包括lone pair亲核试剂和 bond亲核试剂 bond亲核试剂的亲核性较低 通常不足以发生SN2反应 但烯胺和烯醇负离子例外 烯胺和烯醇负离子的共振结构 烯醇负离子作SN2反应的亲核试剂 作用物结构 酸性条件下叔卤代烃或磺酸酯有利于SN1反应 伯 仲 烯丙基和苄基作用物有利于SN 反应 烯丙型底物的反应可伴随烯丙基重排 例如 离去基团的性质 F HO H 和各种负碳离子离去倾向小 碱性条件下 一般不能作为SN2反应的离去基团 立体化学 构型转化 Walden转换 某些条件下 SN2反应也会出现构型保持的结果 以下原因可能导致反应失去立体选择性 底物脱质子 再质子化导致构型改变 产物发生进一步的反应导致构型改变 亲核试剂同时又是好的离去基团使反应逆转导致构型改变 反应不按SN2机理进行 反应实例 Finkelsteinreaction 1910 FinkelsteinH Preparationoforganiciodidesfromthecorrespondingbromidesandchlorides Ber 1910 43 1528 1532 Finkelstein反应的机理 构型转化的SN2机理 SN1反应的条件和特征 SN1反应的中间体正碳离子是强酸 碱性条件下不可能产生 因此碱性条件下不可能发生SN1反应 除前述几种特殊情况外 酸性条件下亲核取代反应通常按SN1机理进行 SN1反应的立体化学 外消旋化 分析以下反应的机理 SN1orSN2 SN2机理 酸性条件下的SN2反应需要强亲核试剂 未脱质子的醇不是强亲核试剂 SN2机理无法解释选择性 不合理之处 SN1机理 SN1机理的合理之处 生成稳定的正碳离子 可以解释反应的位置选择性 亲核取代反应的其它可能机理 碱性条件下 一些叔碳底物也可能发生亲核取代 由于空间位阻 反应不太可能按S